采用新的結(jié)構(gòu)概念形式，提高飛機結(jié)構(gòu)的功能性和智能化，從而顯著提高飛機結(jié)構(gòu)效率，是飛行器發(fā)展的一條重要路徑。其中，變體機翼技術(shù)在近年來受到重視。

2022年1月底，歐盟“潔凈天空”計劃支持的“變體翼梢小翼”項目工程樣機在空客C-295運輸機上完成飛行試驗，這是變體機翼技術(shù)的又一次里程碑式進展，成功演示了集成新型結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的變體機翼的功能實用性，提高了變體機翼結(jié)構(gòu)技術(shù)的成熟度，推動了變體機翼的工程應(yīng)用。變體翼梢小翼工程樣機由機電作動器（EMA）驅(qū)動，結(jié)構(gòu)上采用低成本無夾具復(fù)合材料工藝技術(shù)一體化成型，項目目標是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重約15%，飛機阻力降低約5%，飛機陣風載荷減緩約10%，從而提高飛機的飛行效率，降低燃油消耗。

(資料圖片)

發(fā)展背景和概念內(nèi)涵

發(fā)展背景

為應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)，實現(xiàn)綠色航空目標，未來飛機對節(jié)能、減排、降噪的要求越來越苛刻，在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，實現(xiàn)這一目標的途徑主要有兩種 ：一是在傳統(tǒng)飛機構(gòu)型的基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘結(jié)構(gòu)減重方法，進一步實現(xiàn)輕量化設(shè)計 ；二是采用新概念結(jié)構(gòu)，提高飛機結(jié)構(gòu)的功能性和智能化，變革性地提高飛機結(jié)構(gòu)效率。然而，隨著飛機結(jié)構(gòu)的精細化發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法能獲取的減重收益空間已十分有限，且結(jié)構(gòu)形式相對固化。以變體機翼為代表的新概念結(jié)構(gòu)為飛機減阻降噪開辟了新的路徑。

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）德萊頓飛行研究中心研究數(shù)據(jù)顯示，翼型阻力每降低1%，每年將為美國寬體運輸機節(jié)省約7.57億L燃油。使用自適應(yīng)變體機翼的中程運輸機，根據(jù)任務(wù)距離，可降低燃油消耗3%～5%。近年來，國內(nèi)外變體機翼的大量研究結(jié)果證實，采用變體機翼是未來飛機進一步提高綠色環(huán)保性能的重要途徑之一。

概念內(nèi)涵

飛機在飛行過程中通過改變結(jié)構(gòu)形狀，適應(yīng)不同的飛行環(huán)境條件，從而保持性能和效率最優(yōu)的技術(shù)被稱為變體結(jié)構(gòu)技術(shù)，采用變體結(jié)構(gòu)技術(shù)的機翼或飛機又被稱為變體機翼或變體飛機。理想的變體機翼是基于智能結(jié)構(gòu)理念設(shè)計而成的，可感知飛行環(huán)境和飛機姿態(tài)變化，經(jīng)處理機進行綜合運算決策后，通過閉環(huán)控制，實現(xiàn)機翼結(jié)構(gòu)連續(xù)光滑變形。

國外變體機翼結(jié)構(gòu)技術(shù)最新進展

機翼是決定飛機飛行性能的關(guān)鍵部件，變體結(jié)構(gòu)的研究主要集中在機翼上。目前，以美國、歐洲、俄羅斯為代表的航空強國均在變體機翼方面開展大量研究。

01.美國 ACTE 項目

“自適應(yīng)柔性后緣”（ACTE）項目由美國空軍研究實驗室（AFRL）、NASA和柔性系統(tǒng)公司（FlexSys）合作開展。2014—2015 年，ACTE變形襟 翼以“ 灣 流 ”III 公務(wù)機為平臺進行了第一輪飛行試驗，試驗中最大飛行高度為12192m，最大飛行速度為Ma0.75，襟翼最大偏轉(zhuǎn)角度為-2°和+30°。

在“灣流”III 公務(wù)機上試飛的ACTE變形襟翼。

2017—2018年，ACTE變形襟翼進行了第二輪飛行試驗（ACTE II），主要驗證三個方面的內(nèi)容 ：一是機翼扭轉(zhuǎn)變形試飛，即內(nèi)外襟翼偏轉(zhuǎn)不同的角度，以達到機翼扭轉(zhuǎn)變形的效果 ；二是驗證在常規(guī)巡航速度下變形襟翼的結(jié)構(gòu)可靠性，試驗中最大飛行速度接近Ma0.85，達到“灣流”III 公務(wù)機的最大巡航速度 ；三是開展減阻降噪性能驗證。飛行中監(jiān)測燃油流動和噪聲，對比分析 ACTE變形襟翼對阻力和噪聲的影響。

ACTE變形襟翼是首個進入到全尺寸飛行驗證的變體機翼，通過機翼后緣的連續(xù)變形，有效提升了飛機的升阻比，降低了油耗，增加了航程，由于取消了傳統(tǒng)襟翼的縫隙，在降低噪聲方面也起到重要作用，目前看來是極具發(fā)展前景的變體機翼技術(shù)方案。

02.美國 MADCAT 項目

“任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字化復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項目是在NASA的“匯聚航空解決方案”（CAS）計劃下推出的首批項目之一，由 NASA和麻省理工學(xué)院合作開展，該項目創(chuàng)新性地采用“積木式”拼裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變體機翼設(shè)計。

2016 年，NASA聯(lián)合麻省理工學(xué)院（MIT）研制出小尺寸驗證機Madcat V0，其翼展1.32m，展弦比3.81，通過數(shù)值仿真、風洞試驗和飛行試驗，完成原理驗證。

Madcat V0 小尺寸無人機機翼臺架試驗（a）和風洞試驗（b）。

為了驗證大尺寸模型的變形能力及強度剛度等性能，2019年3月，研究團隊制造了展長4.27m的飛翼模型并開展風洞試驗。

“積木式”結(jié)構(gòu)組裝的飛翼模型在 NASA 蘭利研究中心進行風洞試驗。

“積木式”變體機翼主要由體積元、柔性蒙皮、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成。試驗分析表明，該設(shè)計具有如下優(yōu)點 ：一是改善氣動性能?！胺e木式”變體機翼可實現(xiàn)整個機翼的自適應(yīng)連續(xù)光滑變形，機翼扭轉(zhuǎn) 6°獲得的氣動效率與襟副翼偏轉(zhuǎn) 10°相當 ；二是提高結(jié)構(gòu)承載效率。“積木式”變體機翼采用超強、超輕復(fù)合材料制造的桁架結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的板梁結(jié)構(gòu)，且能通過變形改變機翼的局部結(jié)構(gòu)密度，從而提高承載效率，減輕結(jié)構(gòu)重量 ；三是簡化飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和維修流程?！胺e木式”變體機翼采用拼裝設(shè)計，不需專門設(shè)計和制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零部件，還可通過替換損壞的體積元進行快速維修。

03.美國 VCCW 項目

“變彎度柔性機翼”（VCCW）項目由AFRL開展，旨在通過機翼前后緣變形改變翼型彎度，從而實現(xiàn)在沒有襟副翼情況下對飛機俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)的控制。

2015年，研究團隊制造了展長0.3m的臺架模型和展長1.8m的大尺寸模型，臺架模型在懷特帕特森空軍基地的DISCOVERY風洞中進行試驗，驗證該機翼在氣動載荷下的變形能力。大尺寸模型在AFRL的垂直風洞（VWT）中進行試驗，采用3D光學(xué)幾何測量系統(tǒng)精確測量機翼的變形情況，建立所施加驅(qū)動力和機翼變形角度之間的映射關(guān)系。

VCCW 機翼臺架模型（左）和大尺寸模型（右）風洞試驗。

2019年9—10月，研究團隊制造了經(jīng)設(shè)計迭代后的第二代機翼，展長2.4m，在商用無人機上完成多次飛行試驗，飛行中翼型彎度變化最高達到 6%。

AFRL 變彎度柔性機翼進行飛行試驗。

VCCW變體機翼在設(shè)計上具有三大特點：一是采用柔順機構(gòu)實現(xiàn)分布式變形，可顯著降低應(yīng)力集中 ；二是使用一體成形的復(fù)合材料蒙皮，有助于維持翼面的光滑；三是沿翼展方向設(shè)置多個驅(qū)動器，可實現(xiàn)三維非均勻、非對稱變形。

與傳統(tǒng)的帶離散控制面的機翼相比，VCCW變體機翼具有如下優(yōu)勢 ：一是可減緩氣流分離，有利于層流設(shè)計，從而降低阻力，提高飛機的燃油經(jīng)濟性，增加飛機航程。據(jù)AFRL評估，VCCW變體機翼的應(yīng)用可將飛機的油耗降低約 10% ；二是取消縫道，消除了襟副翼噪聲源，大幅降低飛機噪聲 ；三是單體設(shè)計使翼肋和蒙皮更加堅固，強化了機翼結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)可靠性 ；四是光滑連續(xù)的變形能力便于優(yōu)化機翼外形，有利于飛機結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計。

04.歐盟 SARISTU 項目

“靈巧智能飛機結(jié)構(gòu)”（SARISTU）項目是歐盟第七框架設(shè)立的新概念機翼研究項目，項目經(jīng)費 5100萬歐元，研究周期為2011年9月至2015年8月，由空客公司牽頭。

SARISTU項目通過在機翼的前緣、后緣、翼尖集成不同形式的變形結(jié)構(gòu)來改善飛機的性能，可實現(xiàn)飛機減阻約6%，降噪約6dB。該項目設(shè)計并制造了大尺寸變體機翼演示樣件，并開展了相關(guān)的功能和性能試驗。

SARISTU 智能機翼結(jié)構(gòu)演示樣件。

SARISTU項目探索了未來飛機結(jié)構(gòu)智能化、靈巧化的新技術(shù)，通過大量的演示驗證，形成了“幾十個演示平臺、幾百個演示部件、上千個子部件和上萬個演示元件”一系列研究成果，相關(guān)技術(shù)成熟度已達到5~6級。

05.歐盟“變體翼梢小翼”項目

2021年，“變體翼梢小翼”項目完成了變體翼梢小翼數(shù)字模型設(shè)計和工程樣機研制。2022年1月，工程樣件在空客C-295運輸機上完成飛行試驗。

變體翼稍小翼數(shù)字模型和工程樣件。

06.空客“超性能機翼”項目

“超性能機翼”項目由空客公司設(shè)立，于2021年9月啟動，目標是通過仿生設(shè)計改善機翼氣動性能，從而減少二氧化碳排放。

2022年4月，空客公司完成“超性能機翼”演示樣機風洞試驗，試驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^3D打印技術(shù)制造而成。根據(jù)項目計劃安排，未來將使用縮比樣機在賽斯納“獎狀 VII”公務(wù)機試驗平臺上進行試飛。

“超性能機翼”項目重點研究和驗證4項技術(shù) ：一是加裝陣風傳感器，使飛機能自動調(diào)整機翼控制面以應(yīng)對陣風載荷 ；二是采用半氣動彈性鉸鏈翼尖，飛行中根據(jù)需要，翼尖可自動折疊或展開，該技術(shù)曾在空客“信天翁 1號”項目中進行過小尺寸樣機的飛行驗證 ；三是采用多功能變體機翼，可在飛行中改變機翼后緣形狀，從而提高飛機的總體氣動性能 ；四是安裝彈出式擾流板，可根據(jù)氣流狀況快速偏轉(zhuǎn)至所需角度，從而優(yōu)化機翼性能。

“超性能機翼”（eXtra Performance Wing）項目演示樣機風洞試驗。

空客“信天翁1號”進行過“超性能機翼”的折疊翼尖飛行試驗。

07.俄羅斯“無人機柔性前后緣機翼”

項目

“無人機柔性前后緣機翼”是俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)與技術(shù)研究所開展的研究性項目，旨在探索變體機翼對無人機氣動性能的影響。

2018年，研究團隊以中型無人機為對象，設(shè)計了一種具有自適應(yīng)后緣襟翼和前緣縫翼的變體機翼模型。

處于不同狀態(tài)的可變形縫翼和襟翼。

該團隊采用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料和硅樹脂通過3D打印方法制造了原理樣機并開展風洞試驗。

用于變體機翼試驗的風洞，其中1-粒子源，2-進氣口，3-試驗艙，4-高速攝像機，5-激光示蹤系統(tǒng)，6-電機和出氣口

風洞試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)帶有離散式縫翼、襟翼的機翼相比，自適應(yīng)變體機翼的升力系數(shù)小幅提升，阻力系數(shù)有較大程度降低，某些工況下的升阻比提高20%～30%。因此，該變體機翼可降低無人機的能耗，從而提高無人機的航程和續(xù)航時間。

未來趨勢分析

變體機翼因具有提高飛機的氣動效率、降低油耗和噪聲等優(yōu)點，已成為軍民用飛機新概念結(jié)構(gòu)發(fā)展的熱點。目前，部分變體機翼方案已經(jīng)完成風洞試驗和飛行試驗，工程化進展迅速?？偨Y(jié)國外最新進展，有幾點發(fā)展趨勢需要注意。

局部自適應(yīng)變形是未來熱點

早期變體機翼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究主要在美國，以折疊機翼、滑動蒙皮、壓縮機翼為代表的技術(shù)使機翼可大范圍變形，旨在提高軍用飛機機動性，改善飛機高速巡航時的氣動性能。由于受到驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)等的限制，大范圍改變機翼形狀帶來了較大的重量代價，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性降低，進而影響飛機的安全性。20世紀90年代以來，歐洲 DLR、空客公司開始在變體機翼方面開展研究，通過智能后緣、智能翼梢、智能前緣的研究，在材料、結(jié)構(gòu)、氣動等方面積累了的大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來，變體機翼的研究重點逐步由機翼的整體大范圍機械式變形轉(zhuǎn)向了機翼前后緣、翼尖的局部連續(xù)光滑變形，局部自適應(yīng)變形降低了對于驅(qū)動力的需求，重量代價小，可實現(xiàn)性強，是變體機翼未來研究的熱點和趨勢之一。

智能化程度將不斷提高

變體機翼結(jié)構(gòu)技術(shù)通常與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、智能結(jié)構(gòu)等概念緊密相關(guān)。通過對國外相關(guān)項目的研究分析發(fā)現(xiàn)，變體機翼正向著更加智能化的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在兩個方面 ：一是以壓電陶瓷、形狀記憶合金 / 聚合物等為代表的智能驅(qū)動材料和系統(tǒng)得到越來越充分的研究和驗證，為變體機翼提供更加智能化的驅(qū)動方式 ；二是從國外飛行試驗的發(fā)展歷程可知，從對稱固定偏角試飛，到扭轉(zhuǎn)構(gòu)型試飛，再到動態(tài)改變偏角試飛，變體機翼正一步步增加變形的復(fù)雜度和智能化。在空客“超性能機翼”項目中，已計劃根據(jù)陣風傳感器獲取的數(shù)據(jù)，自動調(diào)整機翼形狀以應(yīng)對陣風載荷。未來，隨著傳感器、控制系統(tǒng)、變形裝置的集成度越來越高，變體機翼的智能化程度也將大幅提升。

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心：宋剛）

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